Адаптивная коррекция атмосферных искажений оптических изображений на основе искусственного опорного источника

• Автор: Больбасова, Лидия Адольфовна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 148 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА Г. Современное состояние методов адаптивной оптической коррекции для атмосферных приложений
1.1.Искусственные опорные источники в адаптивных оптических системах и методы их создания в астрономии
1.2. Проблемы при использовании лазерных опорных звезд: неопределенность наклона волнового фронта, фокусный и угловой неизопланатизм
1.3.Методы решения задач распространения оптического излучения в турбулентной атмосфере в условиях адаптивного управления
1.4.Модели высотного профиля атмосферной турбулентности
1.5.Выводы и общая формулировка направления исследований
ГЛАВА 2. Эффективность* различных типов, искусственных- опорных, источников
2.1.Астрономический телескоп без адаптивной оптической коррекции
2.2. Адаптивная коррекция на основе искусственного опорного источника сформированной фокусировкой лазерного излучения
2.3. Адаптивная коррекция на основе системы опорных источников
2.4. Сравнение результатов численных исследований
2.5. Особенности использования различных лазерных пучков для создания, искусственного опорного источника
ГЛАВА 3; Ограничения искусственных опорных источников
3;1. Угловой неизопланатизм при модовой коррекции
3.1.1. Изопланатический угол толщи атмосферы
3.1.2. Угловая корреляция модовых составляющих волнового фронта
опорных звезд
3.2.1. Остаточные искажения при коррекции
3.2.2. Дисперсия дрожания искусственного опорного источника
ГЛАВА 4*.. Альтернативный подход к- устранению фокусного неизопланатизма и компенсации наклонов волнового фронта
4.1. Ориентированный по полю датчик волнового фронта
4.2. Алгоритм фазовой коррекции
4.3.Коррекция наклонов волнового фронта
4.4. Оценка энергетических характеристик ЛОЗ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приложение
Приложение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы: Возрастающий интерес и необходимость получения все большего объема информации о процессах и явлениях, происходящих в глубинах Вселенной, вместе с наличием соответствующих технологических возможностей, приводят к созданию все более крупных и совершенных оптических телескопов наземного базирования. Современный уровень оптической астрономии определяется данными, полученными с помощью телескопов, с диаметром зеркала 8-10 м, и эти инструменты становятся обычными в практике астрономических наблюдений, в то время как проекты 30-м и даже 50-м телескопов оцениваются как вполне осуществимые уже через 5-8 лет [1-3].
Основной проблемой при астрономических наблюдениях остается земная атмосфера, случайные неоднородности показателя преломления, возникающие при турбулентном движении в атмосфере, обуславливают существенное снижение теоретической разрешающей силы, приводят к потерям в проницающей способности оптического телескопа, а как следствие вызывает такие хорошо известные астрономам эффекты, как размытие, дрожание, мерцание оптического изображения [4].
Поэтому неотъемлемым элементом современного астрономического телескопа становятся системы адаптивной оптики (АО) предназначенные для достижения качества близкого к дифракционному в реальном масштабе времени [5].
Работа АО систем для астрономических приложений базируется на получении тем или иным образом информации об искажениях вносимых турбулентной средой в структуру оптического излучения [6]. Наиболее перспективным направлением, призванным удовлетворить требованиям поставленных задач, является оснащение адаптивного телескопа дополнительной системой формирования искусственного источника опорной волны в канале распространения излучения, на основе обратного рассеяния

лазерного излучения в атмосфере, получившего название лазерная опорная звезда (ЛОЗ) [7]. При этом способ формирования искусственного источника опорной волны, идеология и методология извлечения из него информации об атмосферных искажениях во многом определяет структуру и эффективность работы АО системы в целом.
Системы ЛОЗ активно разрабатываются, и как следствие к настоящему моменту опубликовано большое количество работ, в основном за рубежом, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям в этом направлении. Этой теме посвятили работы многие авторы, например Francois Roddier, Robert Fugate, Michael Roggemann, Brent Ellerbroek, Roberto Ragazzoni David Fried, В.П. Лукин, M.C. Беленький, A.A. Токовинин.
Однако подавляющее количество работ, например, такие как [8-10], в основном, акцентируют внимание на отдельных технических аспектах функционирования существующих АО систем с ЛОЗ, или на работе отдельных конструктивных элементов, например корректоров волнового фронта [11].
Практическое внедрение АО систем с ЛОЗ на крупных телескопах, уже позволило получить новые научные результаты в области астрономии [12-13], но и выявило принципиальные ограничения таких оптико-электронных систем. Эффективность, соответствующих АО систем с ЛОЗ ограничена главным образом фокусным и угловым неизопланатизмом, а также невозможностью коррекции глобального наклона волнового фронта на основе данных измерения от искусственного опорного источника [14].
При этом, несмотря на большое число публикаций, посвященных поискам путей решения указанных выше проблем, они остаются актуальными к настоящему времени. Поэтому представляется целесообразным продолжить исследования в этом направлении, развивая новые подходы к формированию и использованию искусственно созданного источника опорной волны, алгоритмы работы и извлечения информации от такого источника.
случайно-неоднородной среде пользуются параболическим уравнением для комплексной амплитуды поля Щх,р) [107]:
2ікди-- + Аи(х,р) + к2Є[ (х, р)и(х,р) = 0, (1.8)

где & = 2яг/А - волновое число, Д - оператор Лапласа,
Строгие методы решения таких уравнений неизвестны, что приводит к использованию приближенных методов решения, как, например методы возмущений, а в качестве альтернативного подхода используются численные методы решения.
Методы численного решения основаны на модели одного [15, 31] или нескольких случайных фазовых экранов, имитирующих искажение волнового фронта при распространении через турбулентную атмосферу, используя широко известный метод Монте-Карло [16]. Однако, во-первых, их использование требует большого объема вычислительного времени. Во-вторых, расхождение публикуемых результатов различными авторами исследуемых одну и ту же задачу идентичными методами, как правило, составляет 20 % , а в некоторых случаях до 40%. При этом результаты отличаются от аналитических, поскольку в зависимости, от метода, вклад мелко или крупномасштабных флуктуаций оказывается занижен.
Это означает, что использование численных методов целесообразно, если необходимо учесть максимальное число факторов, поскольку они дают общее представление о рассматриваемой задаче. В то время как построение эффективных АО систем с ЛОЗ для астрономических телескопов требует оперировать аналитическими выражениями, позволяющими выполнять вычисления на основе информации об интенсивности и распределении турбулентных флуктуаций в месте расположения обсерватории.
Следует подчеркнуть, что широкое использование методов численного моделирование при решении задач адаптивной оптики, в результате привело к тому что, адаптивная оптическая коррекция атмосферных искажений астрономических изображений, оказалась мало исследована аналитическими